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科普文引发顶尖物理学家论战,宇宙有没有经历暴胀?

时间: 2017年05月22日 | 作者: admin | 来源: 科研圈
暴胀是目前主流宇宙学理论的重要组成部分,但有些研究者认为,它问题很大。

 

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2017 年 2 月刊登在《科学美国人》杂志上的一篇关于暴胀学说的评论文章最近引发了一场“地震”:33 名全球顶尖物理学家发表联合署名公开信,质疑文章中的一些观点。原文作者随后做出了答复。近日,“科研圈”联系到国内宇宙学方向的几位学者,邀请他们谈谈对这场争论的看法。

 

宇宙时空的起源是科学中最神秘、也最具争议的问题之一。《科学美国人》在 2017 年 2 月刊登的文章“Pop Goes the Universe”(“宇宙大爆炸不曾发生?”《环球科学》2017 年 3 月刊)反驳了目前的主流学术观点——宇宙在极早期经历了一段被称为暴胀的极速膨胀时期。该文作者倡导了另一种观点——我们的宇宙并非创生于暴胀学说中的大爆炸奇点,而是从一场“火劫”中开启的。根据这一观点,宇宙在大爆炸之前经历了一段收缩过程,收缩到一定程度时发生反弹,从而形成我们今天看到的宇宙。在下面的信件中,33 名暴胀宇宙学家组成的科学团队署名回应了这篇文章。

 

联合署名公开信

 

在由 Anna Ijjas, Paul J. Steinhardt 和 Abraham Loeb(下面简称“IS&L”)撰写的文章“Pop Goes the Universe”中,作者力推火劫反弹学说(该学说由 Steihardt  等人于 2001 年提出)。在文章的最后一部分,IS&L 表示“暴胀宇宙学不能用科学方法来评估”。接着,他们声称一些接受暴胀学说的科学家提议“抛弃科学的标志性特点:可检验性,而这个主张“促使某些非实(经)验主义科学的理论抬头”。我们并不知道这些科学家指的是谁,也无法同意这篇文章中的一些论述。在这篇信件中,我们主要关注“零容忍”论点——暴胀学说的不可检验性。

 

毫无疑问,暴胀学说已经成为当今宇宙学的主流观点。全世界的大批科学家多年来都致力于探索研究各种暴胀模型,并将这些模型的预言与实验观测进行比较。通过查询高能物理数据库 INSPIRE,大家就能发现“暴胀”是个高频词汇:迄令为止,标题或摘要中包含“暴胀”的论文超过 14000 篇,这些论文出自 9000 多名科学家之手。IS&L 的论述(暴胀宇宙学不能用科学方法来评估)忽略了这些研究。除此以外,若干大型国际合作实验项目的结果清楚地表明,暴胀不仅可以被检验,而且在经受大量检验后依然存活了下来。

 

准确地说,暴胀并不是一个独一无二的理论,而是基于相似原则的一类模型。当然,这些模型不可能全都正确,所以真正值得关心的问题是:是否存在至少一个这样的暴胀模型,它既能正确地描述宇宙的可观测特征,又能从基本粒子物理假定中自然地推理出来?这种情况与粒子物理标准模型的早期发展十分相似,当时科学家研究了各种各样的量子场论模型,只为寻找其中符合所有实验观测的那一个。

 

虽然原则上科学家需要检验大量的暴胀模型,但有一类简单的暴胀模型(术语为“单场慢滚”模型)可以给出与大多数观测十分接近的预言,这些预言早在几十年前就已被清楚地提出。这类“标准”的暴胀模型具有很好定义且得到了广泛研究。(IS&L 对“什么是这类模型中最简单的模型”表达了强硬的观点,但简单性是主观的,我们觉得没有理由将关注点限制在这么狭窄的子类模型中。)虽然其中一些已经被精确的实验数据排除了(这正是大家想要看到的——通过观测来减少可行模型的数量),但仍有许多模型在实验检验方面十分成功。

 

标准暴胀模型预言了宇宙应当有一个临界质量密度(那意味着宇宙应当是几何上平坦的),以及我们探测到的宇宙微波背景(CMB)中微弱的温度“涟漪”的统计特征。首先,这些涟漪应当几乎是“标度不变的”,这意味着在所有角度标度(译者注:应当为空间标度)中,它们应当具有几乎相同的强度。其次,涟漪应当是“绝热的”,这意味着普通物质、辐射、暗物质全都一起涨落。第三,它们还应当是“高斯性”的,这是一种对相对较亮与较暗区域构成图像的统计描述。最后,模型预言了 CMB 特定的极化模式,这可以分为两类——E 模与 B 模。所有标准暴胀模型对 E 模的预言都十分相近,而对于衡量早期宇宙引力辐射的 B 模,不同种类的标准暴胀模型间差别很大。

 

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令人瞩目的是,从 1992 年宇宙背景探测器(COBE)卫星的结果开始,大量的实验都证实以上预言(还有其它一些预言,但太过技术性不适宜在这讨论)精确描述了我们的宇宙。宇宙平均质量密度的测量现已精确到百分之 0.5 左右的精度,并且与暴胀的预言符合得十分完美。在暴胀刚提出时,平均质量的不确定性至少是目前的三倍,所以这是一个让人印象深刻的成功。另外两颗卫星,威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)与普朗克卫星进一步精确测量了 CMB 的温度涟漪,还有许多基于地面与气球的实验也进行了相关测量,它们均证实了原初涨落的确几乎是标度不变的,并且具有十分精确的绝热性与高斯性,正如标准暴胀模型事先所预言的那样。B 模极化还没有被观测到,这与许多,但不是所有模型的预言一致;而已经探测到的 E 模极化与预言相符。2016 年,普朗克卫星团队(一个由 260 人组成的实验组织)总结道:”普朗克卫星的观测结果为简单暴胀模型提供了强有力的证据。”所以如果像 IS&L 想让我们相信的那样,暴胀是不可检验的,那为什么会有这么多实验对暴胀进行检验,还获得了这么巨大的成功?

 

暴胀模型的成功是毫无疑问的,但 IS&L 还是声称暴胀是不可检验的。(我们对 IS&L 的主张表示无法理解,他们认为暴胀在观测上的成功被夸大了,并且指责暴胀的拥护者抛弃了经验科学!)例如,他们争论说,由于暴胀的预言会随着暴胀能量密度曲线的形状与初始条件的改变而改变,暴胀实际上是不可检验的。但是,一个理论的可检验性绝不是要求它的所有预言都独立于参数的选择。如果非要这样要求,那么粒子物理标准模型的生存状态同样值得担忧,它包含着需要实验决定的粒子组份,以及 19 个或更多参数。

 

重要的一点在于,标准暴胀模型通过了上述的实验检验。IS&L 描述了一个失败的理论如何“由于人们试图不断修补它而变得对实验越来越有免疫力”,并暗示暴胀便是如此。但是无论如何,随着新数据的出现而修改理论是经验科学中的标准步骤。例如,为了解释新发现的夸克与轻子,标准模型不得不进行修改。而对于暴胀宇宙学,(我们认为)目前还没有必要进行超出标准暴胀模型的研究。

 

IS&L 主张“暴胀不可检验”的另一个理由是,它会导致永恒暴胀和多重宇宙。多重宇宙是一个活跃的研究领域,但这绝不与暴胀的实验可检验性相悖。如果多重宇宙图像是合理的,那么粒子物理标准模型能够很好地描述我们的可观测宇宙,目前正由实验观测进行限制优化的暴胀模型可以描述暴胀在我们这片宇宙区域是如何发生的。这两种理论都仍将安全地处在经验科学的范围内。科学家依然可以将来自天体物理、粒子物理实验的最新数据与具体物理模型做出的精确、定量的预言进行比较。需要注意的是,这不同于更为“崇高”的目标:发展一个理论框架,不借助实验数据便能推断出正确描绘可观测宇宙的具体模型。

 

和任何科学理论一样,暴胀不需要解决所有可能想得到的问题。暴胀模型也像所有科学理论一样,建立在一组假定之上,并且为了理解这些假定,我们可能需要一些更深层次的理论。然而这并不会抹杀暴胀模型的成功。这一情景与标准的热大爆炸宇宙学相似。热大爆炸宇宙学无法解释宇宙的平均密度为何与临界密度如此接近,宇宙结构的起源(这在暴胀中得到优雅的解决)等问题。但这些问题的存在并不会“抵消”它曾做出的许多成功的预言,比如轻元素的相对含量。我们对宇宙的了解尚不完备,但这绝不应当成为忽视标准暴胀模型在实验上已获得巨大成功的理由。

 

在暴胀模型诞生后的 35 余年中,它已经逐渐成为描述宇宙演化早期阶段与大尺度结构形成的主流观点。没有人声称暴胀是正确无误的,科学理论并不会像数学定律那样得到严格证明。但随着时间流逝,更加精确的实验检验和理论上的进步将会使成功的理论变得越来越好。这正是暴胀理论正在经历的过程。这一过程会继续下去,许多选择这个充满活力的领域的科学家都会积极参与进来。

 

经验科学不但活着,还活得很好!

 

联合署名

Alan H. Guth (MIT)

David I. Kaiser (MIT)

Andrei D. Linde (Stanford)

Yasunori Nomura (UC Berkeley)

Charles L. Bennett (Johns Hopkins)

J. Richard Bond (U of Torento)

François Bouchet (Institut d’Astrophysique de Paris)

Sean Carroll (Caltech)

George Efstathiou (Cambridge)

Stephen Hawking (Cambridge)

Renata Kallosh (Stanford)

Eiichiro Komatsu (Max-Planck-Institute für Astrophysik)

Lawrence Krauss (Arizona State)

David H. Lyth (Lancaster)

Juan Maldacena (IAS)

John C. Mather (NASA)

Hiranya Peiris (UCL)

Malcolm Perry (Cambridge)

Lisa Randall (Harvard)

Martin Rees (Cambridge)

Misao Sasaki (YITP)

Leonardo Senatore (Stanford)

Eva Silverstein (Stanford)

George F. Smoot III (Berkeley Center for Cosmological Physics,)

Alexei Starobinsky (Landau Institute for Theoretical Physics)

Leonard Susskind (Stanford)

Michael S. Turner (Chicago)

Alexander Vilenkin (Tufts University)

Steven Weinberg (UT Austin)

Rainer Weiss (MIT)           

Frank Wilczek (MIT)        

Edward Witten (IAS)

Matias Zaldarriaga (IAS)

 

作者IS&L)回复

 

我们对反驳我们的科学家表示十分的尊重,但对他们的回应感到失望。他们忽略了非常关键的一点:经受住实验检验的暴胀理论与我们现在要更进一步理解的暴胀理论之间的不同。过去,我们还没有理解暴胀所存在的基本问题,所以断言暴胀已经被证实。我们坚信在健康的科学界中,大家可以做到和而不同,尊重不同的观点。因此我们拒绝“被认为”指出暴胀存在的问题就意味着抛弃了所有发展暴胀学说、推动宇宙精确测量的前辈的工作。

 

历史上,对暴胀的思考基于一系列不同的观点。大家并不理解暴胀的预言为何会对初始条件高度敏感,也不理解暴胀为何会导致永恒暴胀,进而带来多重宇宙 —— 理论的输出结果有无穷多。那些声称暴胀预言了这预言了那的文章忽视了这些问题。

 

我们的观点是应当不加掩饰地讨论当前的暴胀理论版本,而不是过时的版本。逻辑上,如果暴胀的输出结果高度依赖于目前还没有得到很好理解的初始条件,正如回应者承认的那样,那么该结果无法被确定下来。此外,如果暴胀产生了多重宇宙,援引回应者之一(古斯)的话说:“任何可以发生的事都会发生”——这会使得任何对预言的讨论都失去意义。与粒子物理标准模型不同,就算固定了所有参数,暴胀模型仍会给出无穷多种结果,而且没有哪一种结果比另一种更特别。这使得暴胀免疫于任何实验检验。更多细节可以参考我们 2014 年的文章《暴胀分裂》(预印本链接 https://arxiv.org/abs/1402.6980)。

 

我们是三名独立的思考者,分别代表了不同年龄段的科学家。我们的文章不是刻意掀起过去的争论,而是讨论最近的实验观测带来的影响以及指出尚未解决的问题,这给年轻一代宇宙学家做出有深远影响的工作提供了机会。我们希望读者可以回顾我们文章的最后一部分,我们反对盲从权威,呼吁以开放的姿态认清当前观念存在的缺陷,为解决这些问题投入新的努力,并且对于新观点进行开放式探索。这才是我们所坚持的原则。

 

翻译部分原文链接:https://blogs.scientificamerican.com/observations/a-cosmic-controversy/

 

国内学者怎么看

 

(语音整理)此次国际争论中关于极早期宇宙(包括暴胀、反弹,以及 Steinhardt 提倡的火劫学说)的一个很重要的可验证性体现在宇宙微波背景辐射的偏振信号上面。由中国宇宙学家主导并已经立项的阿里原初引力波望远镜项目已经上马。它最关键的科学目标就是去寻找原初引力波,并精确测量 CMB 中的 E 模和 B 模的偏振信号。这一实验在不久的将来会对回答 Steinhardt 为代表的、反对暴胀的宇宙学家和以 Guth 为代表的、支持暴胀的宇宙学家所争论的核心问题带来很大的帮助。

——张新民(中国科学院高能物理所,中国阿里原初引力波探测计划首席科学家)

 

毋庸置疑暴胀宇宙学取得了巨大的成功,它所自然预言的宇宙空间平坦性和近标度不变的原初密度涨落都得到了精确宇宙学观测的强烈支持。不可否认,现有的暴胀宇宙学理论依然并非完美,仍然需要更深入的探究。但是,正如热大爆炸宇宙学模型尽管存在空间平坦性、视界等疑难,由于诸多的宇宙学观测给予大量的支持,因此热大爆炸模型仍然被广泛接受为标准的宇宙学模型。反过来看,这些暴胀的替代模型为了能提供和暴胀同样多的对已有观测现象的解释,往往需要更为精巧得多的人为构造。它们带来的问题甚至比解决的问题还要多。极早期宇宙的物理过程发生在宇宙最初极为短暂的时期,因此人们并不能回到那个时期去直接“观测”宇宙的演化,而是只能通过间接的方法去重构产生于那个时期的量子扰动的关联函数。令人遗憾的是仅仅通过关联函数原则上并不能区分那个时期宇宙是在暴胀还是收缩,因此目前并没有任何观测可以提供确凿无疑的方法来区分早期宇宙暴胀和其他替代模型。无论如何,从自然性和简单性原则来看,与那些替代模型相比,暴胀宇宙学不失为最简单和自然的极早期宇宙学模型。

——黄庆国(中国科学院理论物理研究所)

 

暴胀宇宙学在观测上取得的成功是毋庸置疑的(预言了接近标度不变的原初密度涨落,这个预言在 1992 年被实验验证)。可是,各种替代模型仍具有生存空间,说明我们对早期宇宙的了解还不够。物理学是以观察和实验为基础的科学。理论的探讨是重要的,但是要最终解决暴胀与替代模型的争论问题,还是要靠未来的实验检验。特别地,对宇宙密度涨落三点关联函数的精确测量(量子原初标准时钟),是对早期宇宙的膨胀(或收缩)历史的直接测量。这样的实验检验将有望区分暴胀与替代模型,为我们还原早期宇宙的真相。

——王一(香港科技大学)

 

翻译 蔡一夫、李春龙(中国科学技术大学)

特邀评论 张新民(中科院高能所)、黄庆国(中科院理论所)、王一(香港科技大学)

编辑 金庄维(北京大学)


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